第四章 弹性及内耗.ppt

第四章 弹性与内耗 弹性：在外力去除后，物体恢复到形变前的形状和尺寸的能力； 表征弹性的参数：弹性模量（E）取决于原子间结合力的大小，为组织不敏感参量； 内耗：材料内在的能量损耗；是滞弹性行为的反应，结构敏感参量，常用于研究金属内部的结构，溶质原子的浓度，特别是位错与溶质原子的交互作用。 4.1 金属的弹性模量 一、弹性模量 弹性范围内虎克定律（Hook）： σ=Eε 广义虎克定律： σ由正应力σ11、σ22、σ33、切应力σ12、σ13、σ23组成； ε由正应变ε11、ε22、ε33、切应变ε12ε13ε23组成 二、弹性的表征 弹性模量E： 单向受力状态，E=σii/εii ，反映材料抵抗正应变的能力 切变模量G： 纯剪切受力状态，G=τxy/γxy，反映材料抵抗切应变的能力 泊松比μ：在单向受力状态下，μ= -ε22/ε11 体积模量K： K=-P/（ΔV/V）=E/[3（1-2μ）] 三、弹性的物理本质 原子间存在引力： 斥力： 原子间结合力： 四、弹性模量与其它物理量的关系 1、弹性模量与Debye温度的关系 2、与熔点的关系 原子间结合力越大、熔点越高，弹性模量越大： 4.2 弹性模量的影响因素 1、原子结构 由于金属的弹性与原子间的结合力有关，弹性模量取决于金属元素的价电子数和原子半径的大小，即取决于原子结构： 同一周期中的元素随原子序数增加，价电子数增多，弹性模量增高； 同一族元素，如Be、Mg、Ca、Sr、Ba等，价电子数相等，由于原子半径随原子序数增加而增大，弹性模量减小； 2、温度 温度升高，原子热运动加剧，原子间距增大（膨胀），导致原子间结合力减弱，导致弹性模量随温度升高而降低； 无相变且T0.5Tm，呈线性下降； 0.5Tm T Tm，呈指数下降； 3、相变：发生相变时，弹性模量偏离随温度变化的规律 铁于910℃、发生α---γ的同素异构转变，点阵致密度增大，从而使E发生跃变。在768℃发生磁性转变时，曲线产生拐折。 钴于480℃即由α转变为β，因此弹性模量也急剧增大。 镍的弹性模量随温度的变化比较复杂，退火状态的镍，在200℃以下，随着温度的升高而降低，但在200℃以上E的变化反常，即随着温度升高，E值反而增大。当镍被磁化到饱和状态时，这种反常现象即行消失（铁磁性反常：磁致伸缩+力致伸缩）。 4、合金元素 A：形成固溶体，溶质原子对弹性模量的影响存在三个方面： ①造成点阵畸变，E下降； ②阻碍位错运动与弯曲，使E增大； ③溶质原子与溶剂原子间结合力大于溶剂间原子结合力，E增大，反之E减小； 两种金属形成无限固溶体时（价电子数与原子半径相近）：弹性模量与溶质浓度间呈线性关系，若其中一组元为过渡族金属时，则呈凸形曲线变化，这与过渡族元素未填满的内电子层影响原子间的结合力有关； 形成有限固溶体时，E与溶质原子浓度（在最大固溶度范围内）呈线性关系，变化程度取决于电子浓度、组元间的原子半径差； 总体上：当弹性模量（熔点）比溶剂金属低的组元加入时，使固溶体E下降；反之则增加；合金的有序化或生成不均匀固溶体时，由于原子间结合力增强，从而使E值增大。 B：化合物、中间相与多相合金 形成化合物相熔点越高，组织稳定性越高，则弹性模量越大； E为组织不敏感参量，与单相合金的晶粒大小、形状、相弥散程度、分布无关，与组成相各相的体积分数呈直线关系 5、晶体结构（晶体对称性与缺陷） 晶体对称性：单晶体由于各晶向原子排列致密度不同，导致各向异性； 大变形：通过大变形形成织构（择优取向），导致各向异性，沿着拉拔方向的弹性模量将增大； 再结晶织构： 淬火使碳钢E下降，可能与碳的溶入减弱了铁原子间的结合力有关。 4.3 铁磁性反常 铁磁性反常（△E效应）：未磁化的铁磁材料，在居里点以下的弹性模量比磁化饱和状态的弹性模量低；(明显偏离线性关系) 原因：未经磁化的铁磁材料，在应力作用下发生弹性变形外，同时引起磁畴的磁矩转动，产生相应的附加伸长; 拉伸时，具有正磁致伸缩的材料，其磁畴矢量趋向于转向平行于拉伸方向 拉伸时，具有负磁致伸缩的材料，其磁畴矢量趋向于转向垂直于拉伸方向 力致伸缩：由于力的作用引起铁磁体偏离HOOK定律出现附加形变的现象 未经磁化的铁磁材料模量： 磁化饱和后，磁矩不发生转动，无附加伸长： 4.4